Monolithisch integrierte Spannungsregler

Eine Art ultimativer Point-of-Load-Wandler

25. Juni 2020, 08:44 Uhr   |  Engelbert Hopf

Eine Art ultimativer Point-of-Load-Wandler
© Empower Semiconductor

Monolithische Integration ermöglicht den Verzicht auf diskrete Komponenten wie Kondensatoren und Induktivitäten. Gefertigt werden die IVRs in einem Standard-CMOS-Prozess.

Durch monolithische Integration ist es Empower gelungen, Hochleistungs-Spannungsregler zu entwickeln, die in puncto Leistungsdichte, Effizienz und Geschwindigkeit neue Benchmarks aufstellen.  

Ein in seiner Art völlig neues Produkt auf den Markt zu bringen stellt sicher immer ein gewisses Risiko dar. In Zeiten der langsamen globalen Konjunkturerholung nach den verschiedenen regionalen Lockdowns im Zuge der Corona-Pandemie kann das Risiko sicher noch größer sein. Jedoch nicht für Tim Phillips, den Gründer und CEO von Empower Semiconductor. »Wir kommen mit unsrem Produkt gerade zur richtigen Zeit auf den Markt«, versichert er; »der Boom der Kommunikationsplattformen seit Beginn der Krise fördert die Nachfrage nach unseren Produkten nachhaltig«.

Das Produkt, von dem Phillips spricht, ist die Hochleistungs-Spannungsregler-Familie EP70xx. Diese Produktbaureihe bietet eine bis zu 10 Mal höhere Stromdichte, eine 3 Mal höhere Genauigkeit bei Transienten und eine bis zu 1000 Mal schnellere dynamische Spannungsskalierung, als das bisher bei Produkten dieser Art der Fall war. Des Rätsels Lösung: Hochintegration. Und nicht nur Hochintegration – monolithische Integration, um es genau zu sagen. 

Phillips und seine Entwickler haben es geschafft, wirklich alle Komponenten, die bisher zum Aufbau eines leistungsfähigen PMIC notwendig waren, und das waren häufig bis zu 40 diskrete Bauelemente, in einem Silizium-Halbleiter abzubilden, inklusive Kondensatoren und Induktivitäten. Und das mithilfe eines herkömmlichen CMOS-Prozesses. Untergebracht sind die Siliziumbauelemente in 5 mm × 5 mm oder 4 mm × 4 mm großen Gehäusen, die eine Höhe von 0,75 mm aufweisen. Das ist etwa fünf- bis dreimal niedriger als ein PMIC mit Induktivitäten. Da die Hochleistungs-Spannungswandler auch in Form von Bumped Die für das Co-Packaging mit digitalen ICs erhältlich sein werden, ist eine vollständige Integration des Power-Managements in ein SoC möglich. 

Steve Shultis, Empower
© Empower Semiconductor

Steve Shultis, Empower: »Es ist davon auszugehen, dass im Data-Center-Bereich in den nächsten fünf Jahren 175 Zetabytes gemanagt werden müssen. Das bedeutet einen enormen Anstieg des Stromverbrauchs. Für die EP70xx-Familie ein fast unbegrenztes Wachstumspotenzial.«

Tim Philips, Empower Semiconductor: »Die von uns erreichte Kombination von Leistungsdichte, Geschwindigkeit und Effizienz bei diesen monolithisch integrierten IVRs ermöglicht unseren Kunden die Realisierung bisher unerreichter Level der Systemleistun
© Empower Semiconductor

Tim Philips, Empower Semiconductor: »Die von uns erreichte Kombination von Leistungsdichte, Geschwindigkeit und Effizienz bei diesen monolithisch integrierten IVRs ermöglicht unseren Kunden die Realisierung bisher unerreichter Level der Systemleistung.«

»Unsere Kunden sind begeistert vom Game-Changing-Charakter unseres Produkts und den Auswirkungen, die es auf ihre Produktentwicklung haben wird«, versichert Phillips. »Die von uns erreichte Kombination von Leistungsdichte, Geschwindigkeit und Effizienz ermöglicht unsren Kunden, bisher unerreichte Level der Systemleistung zu realisieren.« Die hinter der neuen Baureihe stehende Technologie ist nach Auskunft des Unternehmensgründers gut geschützt »durch aktuell etwa 30 Patente«.
Empowers digital konfigurierbare Hardware-Plattform erleichtert die Einführung von DC/DC-Wandlern für die Entwickler enorm. Mit einem einzigen Footprint, ohne notwendige externe Komponenten, umfangreiche Programmierbarkeit und einem breiten Spektrum an Strom- und Ausgangkonfigurationen, können Leistungselektronikentwickler die EP70xx-Familie auf nahezu allen Plattformen verarbeiten. 

»Unser Ziel war es, den Designprozess so einfach wie möglich zu machen«, erläutert Trey Roessing, CTO und Senior Vice President of Engineering von Empower Semiconductor. »Der Entwickler muss seine Einstellungen nur über die mitgelieferte GUI wählen und sie dann über den I3C/I2C-Port laden.« Danach steht ihm ein Baustein mit drei Ausgängen zur Verfügung, die bei hohen Strömen mit großer Bandbreite und hoher Effizienz regeln. 

Damit entfällt das bisher notwendige Eingangs- und Ausgangsfilterdesign, es sind keine Rückkoppelungswiderstände notwendig, es bedarf keines Schleifenkompensationsdesigns und keiner Komponentenveränderungen. Zu den ersten Produkten der EP70xx-Familie gehören vier Triple-, zwei Dual- und zwei Single-Produkte. Sie liefern über ihre Ausgänge Ströme von 1 bis 10 A. Auf der Eingangsseite arbeiten die Wandler mit 2,5 bis 16 V.

Wie Steve Shultis, Senior Vice President of Sales & Marketing, erläutert, sind Produktmuster, Demo-Boards und Referenzdesigns der neuen Produktfamilie ab Ende Juni erhältlich. Wirkliche Produktionsmengen wird es nach seiner Auskunft ab dem Ende des 4. Quartals 2020 geben. Produziert werden die Hochleistungs-Spannungsregler als Foundry offenbar von TSMC. Im ersten Schritt wird der Verkauf ein ausschließliches Direktgeschäft sein, wie Shultis versichert, »die Bauteile werden nicht über die Distribution erhältlich sein«. Mit dem Aufbau der Vertriebsstrukturen bei Empower könnte sich das in Zukunft aber ändern. 

Zu den »niedrig hängenden Früchten«, die Empower mit den neuen Produkten von Beginn an angehen will, zählen vor allem Server-Plattformen. »Man geht davon aus, dass in den nächsten fünf Jahren bis zu 175 Zetabytes gemanagt werden müssen«, erläutert Shultis. »Das zieht einen enormen Anstieg des Stromverbrauchs nach sich.« Für die EP70xx-Familie ein Anwendungsbereich mit hohem Wachstumspotenzial.

In Europa werden es neben Tele- und Datenkommunikationsanwendungen wohl vor allem Anwendungen im Bereich Embedded Computing und des Vision Processing sein, die sich für den Einsatz der neuen Hochleistungs-Spannungswandler empfehlen. Phillips sieht in Europa in Zukunft auch im Bereich Automotive, speziell im Zusammenhang mit dem Thema Autonomes Fahren, interessante Anwendungsmöglichkeiten für seine Produkte. Entsprechende Produkte mit AEC-Q-Zulassung sollen in naher Zukunft auf den Markt kommen. Vielleicht ja schon 2021?

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